32位嵌入式实验装置的开发是一项有实际应用价值的

1882 0引言 32 位嵌入式实验装置的开发是一项有实际应用价值的 研发课题。随着计算机技术的发展， 嵌入式技术在工程领域 的应用范围越来越广泛， 传统的以 8 位 51 单片机为核心的应 用已不能适应时代的发展，与此同时以 ARM 为代表的 32 位 嵌入式处理器逐渐得到推广。我们应该适时的将 32 位嵌入 式系统的教学引入到高校教育中来， 嵌入式系统涉及到计算 机组成原理、 微机接口技术以及操作系统等多门专业基础课 的知识， 因此在本科 4 年级开设这门课程， 可以培养学生综合 运用大学所学知识的能力。为了与课内教学相配套， 我们开 设了相应的实验， 并设计了相应的实验装置。 嵌入式实验装置的开发与普通的嵌入式应用开发有许多 不同之处： 应用开发根据实际的应用需求， 裁剪及配置硬件 和软件， 最终形成一个功能确定的产品； 而实验装置应该提供 完备的体系结构和丰富的接口使学生能够完成多层次的、 难 易不同的实验；嵌入式实验装置的重点是让学生学会裁剪 及配置硬件和软件的方法， 而不是简单地形成一个便携的低 功耗产品； 而实验装置往往固定在实验室的工作台上， 有稳定 的电源供应， 有丰富的输入输出设备 (如鼠标、 键盘、 液晶屏 等)， 有各种各样的编程和调试手段。因此实验装置的设计应 该强调低成本、 坚固耐用、 便于操作， 而不必考虑提高精密度、 降低功耗等， 应尽量采用通用的芯片和接口。 因此本文将着手设计一套适合于高校计算机相关学科教 学使用的 32 位嵌入式实验装置。首先介绍实验装置的硬件 设计， 然后给出学生实验的一般流程。 1硬件设计 1.1总体设计 目前 32 位嵌入式微处理器有多种架构， 使用最普遍的是 英国 ARM 公司技术授权的 ARM 系列处理器， 运用于实验装 置开发的一般是 ARM7 和 ARM9 系列产品。 本文采用 Intel 公 司推出的 XscalePXA255 1,2处理器， 与 ARM7 和 ARM9 系列相 比， 具有运行速度快、 性能全、 性价比高等的优点。 PXA255 内置 MMU、 LCD 控制器、 USB 设备控制器、 串口 控制器、 蓝牙串口控制器、 SD 卡控制器、 CF 卡控制器、 红外线 接口以及 AC97 接口。 在实验装置的设计中， 我们可以直接将 以上部分引出， 此外还需要 Flash、 SDRAM 芯片、 网络控制器、 USB 主控制器、 电源管理部分以及相关的控制逻辑 3。 嵌入式实验装置的总体结构如图 1 所示，将实验板划分 为核心板和接口板两部分。 核心板包括 XSCALE 处理器和存 储器； 接口板包括网络接口、 USB接口等外围接口电路以及必 要的控制逻辑和板级支撑电路。基于以下两点划分为两部 分： 出于成本考虑， 核心板中各芯片连接线运行频率较高(达 100MHz)， 对电磁干扰要求比较高， 须采用 6 层板布线以增加 系统运行的稳定性，而接口板内芯片运行频率较低， 可采用两 层板布线以降低成本； 出于功能扩展和升级的考虑， 核心板与 接口板的功能划分比较明确， 可以独立进行功能扩展和升级。 1.2电源部分设计 电源管理部分的设计是非常重要的。 对于嵌入式设备来 收稿日期：2006-04-09E-mail：zhengnhmail.tsing 作者简介：郑宁汉 (1979)，男，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向为嵌入式应用。 基于 PXA255 的嵌入式实验装置的设计与实现 郑宁汉 (清华大学 计算机科学与技术系，北京 100084) 摘要：为适应嵌入式系统课程的教学需要，设计并实现了一个基于 XSCALE 处理器的嵌入式实验装置。采用 INTEL 公司 的高性能 PXA255 处理器， 提供了丰富的接口电路。最后给出了基本实验以及复杂的大型实验的一般方法。 关键词：嵌入式系统; ARM; PXA255 中图法分类号： TP391文献标识码： A文章编号： 1000-7024 (2007) 08-1882-03 Design and implementation of embedded educational device based on PXA255 ZHENG Ning-han (Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract：To adapt to the teaching of embedded system course,an embedded educational device based on the XSCALE processor is desigenedand implemented. The high-performanceprocessorof INTEL-PXA255isadopted, so theplentifulinterface circuits isprovided. The methods of basic and complex experiments are introduced. Key words：embedded system; ARM; PXA255 2007年 4月计算机工程与设计 Apr. 2007 第 28 卷第 8 期 Vol.28No.8Computer Engineering and Design 1883 说， 如何减少系统的功耗是一件头疼的事情， 但是对于学生实 验装置来说， 由于存在稳定的 220 V 交流电源供应， 如何降低 功耗并不是重点内容。本文的设计中根据板内芯片实际的需 求，提供稳定的电源。实验板的电压等级共有 4 级，PXA255 芯片I/O和内核分别采用 3.3V和 1.2V供电， 液晶屏采用 5 伏 和 12 伏供电、 网络芯片采用 5V 供电。本文采用 AC/DC 电源 模块提供 5 V 和 12 V 直流电源， 然后通过低压差线性电压源 (LDO)得到 3.3 V 和 1.2 V 电源， 如图 2 所示。 电源管理的另一个重要部分是复位电路。PXA255 芯片 使用 nRESET 管脚接受外部复位信号。当 nRESET 有效时， 芯 片产生nRESET_out信号以复位整个系统的其它芯片， 因此整 个系统要进入正常的工作状态， 需要可靠的 nRESET 信号。 复 位电路主要是在系统上电、手动复位和电压波动时提供正确 的nRESET信号。 实验装置的复位电路使用的芯片是MAX811。 1.3板级控制器设计 从图 1可以看出， 除了PXA255 外其它的芯片都要受板级 控制器的控制。本文使用 Xilinx 公司的 CPLDXC95288 4作为 板级控制器， 其完成的主要工作有： 使能控制， 读写控制。 根 据PXA255地址总线的地址和读写信号， 给相应的芯片以使能 信号和读写信号； 状态显示。内置寄存器存储各接口芯片 的状态， 以供软件编程时读取状态； 复位控制。能够通过外 部开关或软件编程使相应的接口芯片复位； 挂起/唤醒控制。 能控制相应的接口芯片进入挂起状态或从挂起状态唤醒； 中 断控制。通过内置的中断寄存器和中断屏蔽寄存器将各接口 芯片的不同中断映射到PXA255 的 6 个外部中断信号上； 外 部按钮及信号灯。提供简单的接口测试和实验。 1.4存储器设计 本文的实验板使用 Nor Flash 存储程序和数据，使用 SDRAM 作 为 程 序 的 运 行 空 间。Flash 采 用 两 片 Intel E28F128J3A-150 StrataFlash 进行位扩展构成 32 MB 的 32 位存 储器； SDRAM 采用两片 Samsung K4S561632C-TC75 做位扩展 构成 64MB 的 32 位存储器。 1.5网络接口设计 在本文的网络接口设计中充分考虑到芯片的成本、产品 的成熟度和使用的普遍性问题，选用了 RTL8019AS 5 芯片。 RTL8019AS 是 Realted 公 司生产 的以太网 控制器。支持 IEEE802.3， 8位或 16 位的数据总线； 内置 16KB的SRAM， 用于 收发缓冲；全双工收发同时达到 10 Mbps；支持 10Base5、 10Base2、 10BaseT； 并能自动检测所连接的介质。RTL8019AS 与主机有 3 种接口模式： 跳线模式、 PnP 模式和 RT 模式。过去 在 ISA 总线中的应用非常普遍，通常有 EEPROM 作为配置存 储器。 由于其良好的兼容性， 被广泛的移植到嵌入式系统中来。 在本文的设计中， 我们只需要应用到 10BaseT连接介质， 不需要使用 EEPROM 配置，不需要 ISA 总线逻辑，对 RTL8019AS 只需使用跳线模式。 因此 RTL8019AS 芯片的电路 设计有以下几个关键连接： JP 接高电平， 选择跳线模式， 部 分设置由引脚决定； BS40接地， 禁止使用BROM； IOS3 0接地， RTL8019AS 内部寄存器总线地址从 300H 开始； IRQS 20接地， 使用 IRQ2/9 做中断请求引脚； AUI 接低电平， 接 口采用BNC方式， 使用双绞线或同轴电缆； PL1,PL0接低电平， 自动检测以太网接口类型； SMEMRB,SMEMWB 接高电平。 1.6USB 主控制器设计 在 PC 的应用中， USB 总线能够方便的连接主机与外设。 对于嵌入式设备来说， 有 3 种不同角色的应用： 第 1 种是作为 外设， 与主机(如 PC 机)进行数据交换； 第 2 种是作为主机， 与 外设连接，实验装置中的典型应用是使用 USB 鼠标或键盘； 第 3 种是嵌入式设备之间的相互访问，它需要每一个嵌入式 设备有时候作为主机， 有时候作为设备。 为了满足此类需求， 引入了 USB OTG 协议， 其创新之处在于定义了双角色设备， 相互连接的两个 OTG 设备能够根据实际情况协商哪个是主 机。实验装置中选用了飞利浦的 ISP1362 6作为 USB 控制器。 飞利浦 ISP1362 由 OTG 控制器、主机控制器、外设控制 器、 USB 收发器、 OTG 收发器和缓存器等组成， 通过内部集成 的总线接口可与 CPU 相连。OTG 控制器完全兼容 USB2.0 及 OnThe Go Supplement1.0 协议， 主机控制器和设备控制器兼容 USB2.0， 能以全速(12 Mbit/s)和低速(1.5 Mbit/s)传输数据。 文中 ISP1362 与 PXA255 的连接如图 3 所示， 有以下几个 关键连接： ISP1362 有两个 USB 接口： 接口 1 和接口 2。 接口 1 可以配置为主机接口、 设备接口或OTG接口， 其配置可以通 过芯片的两个管脚 ID 和 OTGMODE#定义。 在应用中， 考虑 到今后实验的可配置能力，将这两个管脚都加上了硬跳 线； ISP1362 有两组 DMA 请求 DREQ1 (主机控制器数据传输 请求)和DREQ2(设备控制器数据传输请求)， 连接到PXA255的 DREQ0 和 DREQ1，应答信号 DACK1 和 DACK2 由 CPLD 给 出； 主机控制器和设备控制器挂起/唤醒信号(H_SUSWAK和 D_SUSWAK)。高电平使控制器处于挂起状态， 低电平唤醒控 制器。 该控制信号由 CPLD 给出； ISP1362 还内置了一个过流 保护电路 7。当 ISP1362 用作主机时， 一个片内的 3.3 V 到 5 V 电荷激励器可调整支持大量外设所要求的输出电流。实验装 置中使用 MIC2026 作为 USB 供电开关。 图 1嵌入式实验装置的总体结构 核心板 接口板 控制线 PXA255FLASH SLOTSDRAM SLOT Driver& Transceiver CPLDUSB OTGEthernetOther I/O 图 2电源管理部分功能 MCP17261.2V 3.3V 3.3V LM1084 5V 5V AC/DC 12V 交流 220V 1884 2实验方法 通过以上的设计， 我们得到了实验操作的目标设备， 但是 目标设备的硬件资源依然有限，不能直接在目标设备上开发 和调试软件， 需要采用交叉编译方式。首先在 PC 机 (称作主 机)上编写和调试代码， 编译得到二进制代码， 然后通过下载 工具将二进制代码传到目标设备的存储器中，最后在目标设 备上运行程序， 通过串口控制台与主机进行通讯。 实验中涉及的开发工具有： 交叉编译器。提供交叉编 译和调试工具。在 windows 环境下， 可使用 ARM 公司的 ADS 集成开发环境； 在Linux下可使用arm-gcc-linux工具链； Flash 下载工具。通过 JTAG 接口控制 PXA255 将二进制代码烧写 到目标设备的 Flash 中。共设计了两大类实验： 第 1 类实验是 单个接口的编程， 第 2 类是实时操作系统的移植。 2.1简单接口编程的实验方法 此类实验考察学生对实验装置中单个接口的编程能力， 编程时首先考虑到板级和处理器级的中断、 实时时钟、 异步串 行口(UART)等部分的初始化， 而后进行接口部分的功能设计。 编程流程如图 4 所示。 2.2实时操作系统的移植 该类实验练习学生裁剪软件的能力，要求学生对目标设 备的结构和被移植的操作系统有清晰的认识。有时为了降低 学生编程的难度， 需要给出相应接口的驱动程序。 在系统的移植过程中，由于被移植对象可能比较大 有时可达几十兆， 而 Flash 下载通常只有几 K 的速度， 我们需 要有一个更快捷的下载工具。应用中选用了 RedBoot 作为 Flash 管理工具。RedBoot 是一种由 Red Hat 公司开发的通用 的嵌入式系统引导和调试程序， 由基于 eCos 系统的硬件抽象 层 HAL 衍变而来。 它可以通过网络控制器或串口将二进制映 像文件从主机下载到目标设备中， 最终将映像文件放入Flash。 下面以移植 Linux 系统为例， 简要介绍实验过程： 首先在主 机的 Linux 环境下配置、编译 Linux 内核和文件系统； 在主 机中编译 RedBoot(需要添加 RTL8019AS 驱动)， 得到 RedBoot 映像文件 Redboot.bin； 通过 JTAG 接口将 Redboot.bin 烧录到 Flash 存储器中； 在主机中开设 TFTP 服务，将 Linux 内核和 文件系统放入服务目录； 重新启动实验装置，进入 Redboot 环境， 通过网络接口把Linux内核和文件系统下载到实验板的 SDRAM内存中， 再执行烧录命令将内存中的数据烧录到Flash 存储器中， 然后设置 Redboot 的启动脚本， 使实验装置启动后 自动进入 Linux； 最后再次重新启动实验装置，就有了一个 运行 Linux 的嵌入式系统了。 3结束语 基于 PXA255 的嵌入式实验装置能够满足嵌入式系统课 程实验的需要，可以开设基础的 LED 灯实验，复杂的网络接 口、 USB 接口实验， 大型的操作系统移植实验等。 相比于市场 上的基于ARM7 和ARM9 的实验装置， 性能上有较大优势， 与 同级别的 XSCALE 开发板相比， 又存在成本低、 坚固耐用、 便 于操作等优势。 参考文献: 1Intel PXA255 processor developers manualEB/OL.2003.http:/ . 2Intel PXA255 processor design guideEB/OL.2003.http:/www. . 3Sitsang/PXA255evaluationplatformusers guideEB/OL.2003. . 4XC9500XL high-performance CPLDfamily data sheetEB/OL. 2004.. 5RTL8019AS realtek full-duplex ethernet controller with plug and play function (RealPNP) SPECIFICATIONEB/OL.2001. . 6MIC2026/2076datasheetEB/OL.2004.http:/www.micrel. com. 7ISP1362 single-chip universal serial bus on-the-fo controller product data rev.03EB/OL.2004. (上接第 1881 页) 图 3ISP1362 原理 AO-1 D0-15 OTG_DM1 OTG_DP1 H_DM2 H_DP2 DACK1-2/ DREQ1-2 INT1-2 ID GL